Эти теоретические черные дыры, возможно, образовались сразу после Большого взрыва
Первичная черная дыра (на рисунке вверху справа) вблизи Солнечной системы, возможно, в конце своего существования взорвалась частицами, в том числе нейтрино с самой высокой энергией (слева), когда-либо достигавшими Земли.
У нейтрино с самой высокой энергией, когда-либо обнаруженных из космоса, наконец-то может быть история происхождения.
Математический анализ показывает, что частица-призрак могла произойти из теоретического объекта, известного как первичная черная дыра, сообщают исследователи 18 сентября в Physical Review Letters. Считается, что первичные черные дыры, возникшие сразу после Большого взрыва, могли бы раскрыть происхождение нейтрино со сверхэнергетическими свойствами и ответить на давние вопросы о черных дырах и темной материи.
«Это не доказательство, но, я думаю, невероятно интересно видеть, что на эти многочисленные загадки можно найти один довольно простой ответ”, — говорит физик Массачусетского технологического института Дэвид Кайзер.
Нейтрино — это легкие, электрически нейтральные частицы, которые проносятся в пространстве, практически не взаимодействуя с обычной, наблюдаемой материей. Большинство из них, достигающих Земли, обладают низкой энергией и образуются в результате обычных реакций, таких как ядерный синтез на Солнце, говорит Кайзер.
Но в феврале 2023 года подводный нейтринный детектор близ Сицилии зафиксировал сигналы, связанные с нейтрино с энергией, оцениваемой в 220 миллионов миллиардов электрон-вольт, что примерно в 35 раз превышает энергию предыдущего рекордсмена. Исследователи не знают, что породило это или пять других нейтрино с самой высокой энергией.
Кайзер и физик Массачусетского технологического института Александра Клипфель задались вопросом, могли ли взрывы первичных черных дыр привести к тому, что частицы с высокой энергией устремились к Земле. Эти теоретические объекты могут быть основным компонентом темной материи, таинственного вещества, на долю которого приходится около 85 процентов вещества Вселенной.
Около 50 лет назад физик Стивен Хокинг предположил, что черные дыры теряют энергию, в результате чего теряют массу, нагреваются и испускают частицы с более высокой энергией, пока не взорвутся. Некоторые первичные черные дыры, возможно, взрываются сегодня, спустя 13,8 миллиарда лет после своего рождения. По словам Клипфель, масса каждого из них была бы меньше массы протона.
Она и Кайзер сначала подсчитали, сколько нейтрино высокой энергии высвобождается при взрыве. Это число было учтено при анализе с учетом предполагаемого первоначального распределения первичных черных дыр, их уменьшения со временем, распределения темной материи и шести наиболее энергичных частиц-призраков, обнаруженных на Земле. Расчеты показали, что около 40 взрывов на кубический световой год ежегодно происходят вблизи Солнечной системы.
Учитывая небольшую долю нейтрино с рекордной энергией, образующихся в результате каждого события, команда обнаружила, что одна взрывающаяся черная дыра могла находиться достаточно близко к Земле в течение последних 14 лет, чтобы выплюнуть нейтрино такой энергии, которое попадает на детектор. Эти сверхэнергичные нейтрино рассеиваются во всех направлениях, удаляясь друг от друга по мере своего перемещения. Таким образом, чем ближе источник находится к планете, тем больше вероятностью взаимодействия нейтрино сверхвысокой энергии с детектором, — говорит Клипфель.
«Только небольшая часть [нейтрино, образующихся в результате взрыва] может случайно попасть на Землю”, — говорит Кайзер, и “небольшая часть из них действительно попадет на детектор”.
Он отмечает, что если будущие исследования покажут, что большинство нейтрино высокой энергии исходят из центра Млечного Пути, это может указывать на связь с первичными черными дырами.
Концентрация таких нейтрино вблизи центра галактики согласуется с идеей о том, что первичные черные дыры являются одновременно источником нейтрино и кандидатами на темную материю, которая, как полагают, группируется вокруг ядер галактик, хотя и не является окончательным доказательством. Такие доказательства также помогли бы подтвердить теорию Хокинга о дырявой черной дыре.
Десятки исследований пытались определить источник рекордного количества нейтрино, говорит физик Луиджи Фуско из Университета Салерно в Фискано, Италия, который является частью команды, обнаружившей это явление. По его словам, первичная черная дыра — это интригующее, более экзотическое предположение, хотя еще слишком рано заявлять о ее происхождении.
Но физик Луа Айролди сомневается в этой идее, поскольку при взрыве поблизости должны были произойти выбросы других частиц, таких как гамма-лучи, которые не были обнаружены. “Не видеть гамма-лучей — все равно что стоять на улице во время тропического шторма и чувствовать, как на тебя падает всего одна капля дождя”, — говорит Айролди из Университета Сан-Паулу. Она и ее коллеги представили свою работу, отложив рассмотрение предложения, 30 мая до arXiv.org.
Кайзер утверждает, что расчеты противоположной стороны основаны на других предположениях. По его словам, в своей работе он и Клипфель предполагают, что взорвавшийся объект находился слишком далеко от Земли — примерно в 50 раз дальше, чем Плутон от Солнца, — чтобы можно было наблюдать его гамма-излучение.
Тем не менее, “даже само по себе явление [нейтрино с самой высокой энергией] является предметом споров”, — говорит физик из университета Пенсильвании Кота Мурасе, который не принимал участия в новой работе. Некоторые исследователи не уверены в оценке энергии нейтрино, поскольку детектор все еще находился в стадии разработки. По его словам, необходимо предпринять еще много шагов, чтобы найти происхождение сверхэнергетических призрачных частиц.